Таблица 11.1.1

Способы ионизации в масс-спектрометрии. Символ м означает нейтральную молекулу или атом.

Масс-анализаторы

Масс-анализатор представляет собой устройство для разделения ионов и играет ту же роль, что дифракционная решетка в оптической спектроскопии. Но, в отличие от оптической спектроскопии, где происходит разделение фотонов по их энергиям или длинам волн, в масс-

спектрометрии разделяют ионы в соответствии с величинами отношений массы к заряду. Задача состоит в том, чтобы, во-первых, добиться как можно более полного разделения и тем самым достичь высокого разрешения, а, во-вторых, обеспечить достаточно большое количество разделяемых ионов и тем самым высокие значения ионных токов. Эти задачи в известной мере противоречат друг другу, поэтому на практике стремятся достичь некоего компромисса.

Разрешение масс-спектрометра

Р азрешающую способность масс-спектрометрического анализа можно, охарактеризовать как

Для примера будем считать два соседних пика разрешенными, если положение максимума одного из них совпадает с точкой, где высота другого составляет 10% от максимальной. В этом случае величина разрешения R, равная 5000, означает возможность раздельной регистрации пиков ионов с массами 500,0 и 500,1 либо 50,00 и 50,01.

Серийно выпускаемые приборы характеризуются разрешением в пределах от 500 до 500000. Требуемое разрешение определяется характером поставленной задачи. Разрешение порядка нескольких тысяч необходимо, например, для раздельного определения ионов С₂Н₄⁺, СН₂N⁺, N₂⁺ и СО⁺. Округленно молярные массы всех этих ионов равны 28, а точные значения составляют 28,0313, 28,0187, 28,0061 и 27,9949, соответственно. В то же время для раздельной регистрации ионов NH₃⁺ и СН₄⁺ (молярные массы 17 и 16) вполне достаточно разрешения R = 50.

Некоторые типы масс-анализаторов

1. Секторный магнитный анализатор

2. Анализатор с двойной фокусировкой в геометрии Нира-Джонса

3. Анализатор с двойной фокусировкой в геометрии Маттауха-Герцога

4. Квадрупольные анализаторы

5. Времяпролетные анализаторы

6. Ионные ловушки или анализаторы с фурье-преобразованием

Секторный магнитный анализатор

Классическим способом разделения ионов в статических условиях является использование секторного магнитного анализатора. С его помощью пучок ионов отклоняют в магнитном поле постоянного магнита или электромагнита на определенный угол, например, 60°, 90°, 120° или 180⁰. На рисунке изображено устройство анализатора с углом отклонения 90°.

Перед разделением пучок ионов необходимо ускорить. Ускорение ионов осуществляют в электростатическом поле с напряжением 800—8000 В. Ускоренные ионы попадают в магнитное поле с напряженностью Н, силовые линии которого ориентированы перпендикулярно направлению движения ионов. При этом траектории ионов искривляются и превращаются в круговые. Радиус описываемой окружности можно рассчитать, используя выражения для отклоняющей силы Лоренца и центростремительной силы. Основное уравнение, описывающее поведение ионов в магнитном анализаторе: , где U – ускоряющее напряжение, Н – магнитное поле.

О писанный способ разделения ионов достаточно прост. К сожалению, он не позволяет обеспечить высокого разрешения. Причина состоит в том, что ионы, поступающие в масс-анализатор, различаются по своим скоростям. Для увеличения разрешающей способности следует использовать более совершенные масс-анализаторы.